一種民用無人機反制系統(tǒng)評估方法*

程 擎，伍瀚宇,吉 鵬，焦浩博，張 強

(中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢618307)

0 引 言

近年來，隨著無人機領域的迅猛發(fā)展，使用門檻不斷降低，在尚未完善的無人機監(jiān)管體系下，大量黑飛、操作不當引發(fā)的安全事故頻頻發(fā)生。此外，“低慢小”無人機所占據(jù)的低空空域是寶貴的戰(zhàn)略資源。為保障低空空域的安全可靠，保障公眾的人身安全與隱私權，無人機反制技術應運而生。

無人機反制技術主要通過人眼捕捉或監(jiān)視設備鎖定目標后，利用捕捉網(wǎng)、激光、聲波、火力壓制、無線電干擾等手段，對目標無人機進行捕捉、摧毀、控制等。當前，無人機反制技術在防范恐怖襲擊，保護重要地點、重大活動現(xiàn)場，維護社會治安秩序方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。

無人機反制技術手段眾多，不同處置方式的作用效果不同，且不同規(guī)格參數(shù)的反制設備性能也具有一定的差異。為了對各反制設備的性能進行評估，國防科技創(chuàng)新特區(qū)主辦了“無形截擊”無人機與反無人機對抗挑戰(zhàn)賽，采用模擬城市中反制無人機的情形，隨機方位“入侵”多架無人機，以成功處置得分、造成負面影響扣分的方式，對無人機反制系統(tǒng)進行評估。該評價體系具有現(xiàn)實意義，評估手段直接有效，但是在評估過程中會受到操作人員、環(huán)境、隨機性等因素的影響。因此，本文在控制環(huán)境變量的條件下，利用無人機反制系統(tǒng)進行多次重復處置試驗，采集相關的指標數(shù)據(jù)，建立并完善評價體系，以完成對無人機反制系統(tǒng)的評估。

1 無人機反制系統(tǒng)評估指標

無人機反制系統(tǒng)的評估即為對該系統(tǒng)從開始處置目標無人機到處置結(jié)束的整個過程以及設備自身性能的評估，不僅僅包括對處置效果的評估，還需考慮到在整個處置過程中所具有的二次災害風險、設備對于操作人員的易用性以及設備質(zhì)量。因此將處置效果、二次災害、易用性、設備質(zhì)量作為無人機反制系統(tǒng)評估中的一級指標，建立評估指標體系，如圖1所示。

圖1 無人機反制系統(tǒng)評估指標體

一級指標處置效果可以細化為處置成功率、處置時間、處置結(jié)果、處置距離4個二級指標。

(1)成功率：處置成功率直接體現(xiàn)了無人機反制系統(tǒng)處置無人機的有效性，通過在試驗中對每種反制系統(tǒng)進行10次處置試驗，根據(jù)目標無人機逃脫次數(shù)描述該系統(tǒng)的處置成功率。

(2)處置時間：若一次處置過程中消耗時間過長將會嚴重影響目標的處置效果，甚至錯過最佳處置時機，可用每次處置活動開始時間與結(jié)束時間差值度量處置時間。

(3)處置結(jié)果：不同反制系統(tǒng)在處置無人機時，根據(jù)其原理不同往往有不同的作用效果，既可能出現(xiàn)擊毀墜落、干擾逼降，也可能出現(xiàn)懸停與飄離后果，因此可用處置導致結(jié)果與期望結(jié)果對比，得到對處置結(jié)果指標的評估。

(4)處置距離：有效處置距離的評估指標值主要根據(jù)在實際反制場景中，設備能夠達到的較為可靠的理想處置距離進行度量。

一級指標二次災害可細化為火勢、沖擊力、墜落范圍、電磁污染4個二級指標。

(1)火勢：無人機反制系統(tǒng)中有部分反制武器會令目標燃燒，落地后火焰對周邊環(huán)境形成了安全隱患，為反映火勢情況，可由受到處置后產(chǎn)生的火焰面積與無人機面積之間的比值進行衡量。

(2)沖擊力：沖擊指標主要是衡量目標墜落時對地面威脅程度，可轉(zhuǎn)換為對目標近地時的速度大小的評估。

(3)墜落范圍：墜落范圍也是衡量目標墜落時對地面威脅程度，可以轉(zhuǎn)換為對目標落地位置與受到處置時的位置距離大小的評估。

(4)電磁污染：電磁污染指標則利用頻譜檢測儀對處置過程中，周邊環(huán)境中重要無線電頻段的抬升情況進行考慮。

一次指標中的易用性指標分別根據(jù)對反制人員操作學習與實際使用過程中的難度、處置過程中設備處置波束寬度以及便攜程度三個方面對其進行評估。

設備質(zhì)量指標主要為對可信性和可用性兩個二級指標評估，其中可信性的評估為綜合考慮設備的平均修復時間、故障率，可用性的評估為綜合考慮設備的修復率、維修度、可靠度、平均壽命。

該無人機評估模型的建立與指標設定主要以民航機場或電磁環(huán)境敏感區(qū)域作為處置背景，在對一些其他環(huán)境進行評估時模型可能會失效，需要對一級或二級指標進行適當調(diào)整；并且處置試驗環(huán)境應處于非極端氣候環(huán)境，否則如墜落范圍、沖擊力、處置結(jié)果等多個二級指標都會受到環(huán)境因素的影響，得到錯誤的評估結(jié)果。

2 無人機反制系統(tǒng)評價體系

在對反制系統(tǒng)的評估體系中，評估語義集如下所示：

V={υ1,υ2,υ3,υ4,υ5} 。

(1)

式中：評價結(jié)果依次遞增，即υ1為差，υ2為較差，υ3為中等，υ4為較好，υ5為好。在評價體系中指標的評估過程中，得到的具體數(shù)值無法直接與評估語義進行關聯(lián)。為此，引入模糊綜合評價模型，采用隸屬度概念對指標數(shù)據(jù)中的模糊界限進行解釋[3-4]。通過德爾菲(Delphi)法建立各個指標的隸屬函數(shù)，征詢目標包括無人機反制領域?qū)＜?、一線工作人員、無人機飛手、應用機構專家、無人機反制企業(yè)專家。結(jié)合專家組意見，建立隸屬函數(shù)，統(tǒng)一不同指標數(shù)據(jù)綱量，反映各指標元素與評估語義集的所屬關系。

隸屬函數(shù)為指標數(shù)據(jù)值與隸屬評價結(jié)果的概率的對應關系，常見的函數(shù)圖形包括三角形與梯形模糊隸屬函數(shù)圖形。令評估語義集V中不同結(jié)果對應的隸屬函數(shù)表示為

U={μ1,μ2,μ3,μ4,μ5}，

(2)

其隸屬函數(shù)表達式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：μ3(x)、μ4(x)表達式與μ2(x)相似。

根據(jù)指標數(shù)值在隸屬函數(shù)中所對應的模糊分布向量rμn(n=1,2,3,4,5)可以得到某一評估指標的評估隸屬向量

γ1=(γμ1,γμ2,γμ3,γμ4,γμ5)。

(6)

將無人機反制系統(tǒng)中各評估指標的評估隸屬向量集合可以得到模糊評價矩陣

R=(γ1,γ2,…,γn)T。

(7)

此時得到的模糊評價矩陣中各指標所占權重相等，但在實際評估時，不同一級指標之間以及同一一級指標下的二級指標之間的重要程度是不同的，因此需引入不同各指標的權重值。綜合考慮后采用模糊層次分析法確定指標權重，這種方法不僅比普通層次分析法的一致性檢驗更加容易，而且一致性的判斷標準更加科學、準確、簡便[6-8]。

首先針對上一層中某元素，對該層中的各元素之間的相對重要性進行比較。以元素處置效果U1為例，其下一層次中元素為處置成功率、處置時間、處置結(jié)果、處置距離，即U11、U12、U13、U14，構造模糊互補矩陣FU1=(fij)4×4，如圖1所示。在兩個元素之間進行比較時，為對相對重要程度進行描述，采用0.1～0.9進行標度。在此標度過程中，0.5表示元素U1i和元素U1j同等重要，當標度越接近0.9時表示元素U1i比元素U1j越重要，而標度越接近0.1時則表示元素U1i比元素U1j越不重要[9-10]。

圖1 評估指標模糊互補矩陣

將模糊互補矩陣轉(zhuǎn)換為模糊一致矩陣，得到新的矩陣QU1=(qij)4×4，其中qij為

(8)

(9)

對得到的模糊評估矩陣中各指標乘上其權重值，可以得到最終的綜合模糊評估結(jié)果向量為

B=W×R=(b1,b2,…,bn) 。

(10)

為了能夠令評估得到的各個無人機反制系統(tǒng)之間能夠有顯著的比較方式，因此采用平均加權法將最后的結(jié)果換算為百分制得分。令S={s1,s2,s3,s4,s5}={0,25,50,75,100}，帶入可得評估分值為

(11)

3 無人機處置試驗與結(jié)果分析

3.1 無人機處置試驗

無人機處置試驗于郊外某試驗場地進行，天氣晴朗且地面靜風。在無人機反制系統(tǒng)的選擇中，激光武器、無線電干擾設備在反制“低慢小”無人機時具有較好的有效性、連續(xù)性，并且分別為當前無人機反制“硬殺傷”與“軟殺傷”中的具有代表性的典型反制系統(tǒng)，無論是處置效果還是二次災害的表現(xiàn)方面，在一定程度上都代表了這一類反制系統(tǒng)的無人機處置能力。在試驗中選用的反制系統(tǒng)設備均已參與了大量無人機處置演練，具有優(yōu)異的實戰(zhàn)成績，并且無線電干擾設備已廣泛用于城市無人機反制應用，因此可以認為所選用的試驗設備具有較好的代表性。

無人機處置試驗選用激光打擊、控制信號干擾、定位信號干擾三種反制手段進行評估，根據(jù)擬定的無人機反制系統(tǒng)評價體系制定各評估指標的采集方案，在控制處置環(huán)境變量不變的條件下進行試驗并采集所需數(shù)據(jù)[11]。其中針對多組不可定量指標采用評估語義集V={υ1，υ2，υ3，υ4，υ5}進行表示。

3.1.1 激光打擊試驗

激光打擊主要利用激光的高能量，對目標無人機聚焦瞄準灼燒，破壞重要部件，導致目標無人機失去控制并墜毀。打擊過程中可持續(xù)攻擊，作用距離遠且無需考慮彈道與天氣影響，具有效費比高、發(fā)射成本低、良好摧堅能力的優(yōu)點，可以擊穿各類金屬與非金屬材料。

激光打擊試驗中，目標無人機由圖2中無人機圖標位置起飛至80 m高度懸停，激光設備置于圖中標記位置距無人機水平距離650 m。目標無人機于起飛點垂直升空至80 m高度，激光設備光電子系統(tǒng)捕捉并跟蹤無人機，3 s倒計時后發(fā)射激光波束，當目標無人機出現(xiàn)墜落傾向后停止出光。

圖2 激光打擊試驗場景俯視圖

3.1.2 控制信號干擾試驗

空間中的電磁環(huán)境復雜且不穩(wěn)定，存在有不可避免的多路徑效應。而無人機為避免數(shù)據(jù)鏈受到干擾，具有一定的射頻干擾自適應抑制能力，但一旦無線電干擾超過閾值，就能阻斷無人機與操作員之間的數(shù)據(jù)鏈路[12-13]。

當前無人機數(shù)據(jù)鏈路多為2.4 GHz、5.8 GHz頻段的慢跳頻系統(tǒng)?？刂菩盘柛蓴_試驗中，借助增益天線，向目標發(fā)射2.4 GHz、5.8 GHz頻段的無線電信號，實現(xiàn)阻塞干擾。試驗中以220 m、120 m、50 m對2 400～2 486 MHz、5 720～5 850 MHz頻段分別進行了3次、2次、5次處置的拉鋸試驗。飛手距離無人機水平距離50 m，無人機于指定位置50 m高度空中懸停，其位置分布如圖3所示。

圖3 無線電干擾試驗場景俯視圖

由于在實際干擾過程中，無人機在受到影響的同時也在采取一定的手段，如擴頻、跳頻，以抗衡環(huán)境中的干擾，維持與飛手之間的上下行數(shù)據(jù)鏈通信，所以在無線電干擾的試驗中，反制點與無人機之間的距離并不能直接表現(xiàn)出反制設備的有效作用距離。當控制端越靠近無人機時，受到信號干擾的表現(xiàn)越弱；反之越遠離無人機時，受到信號干擾的表現(xiàn)越強烈。因此，試驗中保持了飛手與無人機50 m的距離不變，以多組距離試驗采集無人機受到信號干擾的數(shù)據(jù)。

3.1.3 定位信號干擾試驗

由于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用直接序列擴頻通信，具有載波頻率公開固定、發(fā)射功率小、抗干擾的特點，試驗過程中只需要對準頻率發(fā)射大功率無線電信號便能實現(xiàn)阻塞干擾。

定位信號干擾試驗中，與控制信號干擾位置布局相同，無人機靶機起飛與懸停位置以及無人機與飛手50 m間距不變，反制組于距目標無人機220 m的處置點1處，對其1 560～1620 MHz頻段實施10次干擾處置試驗。

在無線電控制信號與定位信號干擾試驗中，無線電干擾槍無瞄準倍鏡，所有處置過程均由目視捕捉，跟蹤打擊。試驗時，由無人機升空飛往指定坐標，升至50 m高度，反制組瞄準無人機所處大致方位進行不間斷無線電干擾。干擾期間，飛手通過圖像反饋與不斷進行規(guī)律性運動判斷無人機控制鏈路和圖傳鏈路是否正常。當持續(xù)1 min無線電干擾仍無效果或無人機受到干擾并呈現(xiàn)出明顯返航降落或無人機失控飛離視場后，停止處置，飛手飛回無人機。

3.2 處置試驗結(jié)果分析

3.2.1 激光打擊試驗結(jié)果

在激光打擊試驗中，無人機處置效果較好，大部分處置試驗均在極短時間內(nèi)達到了目的，受到處置的無人機多為擊中機身電池，失去動力，直接墜落。在最后兩次處置試驗中，由于未能及時擊穿機身摧毀電池，持續(xù)出光多次才最終擊落無人機。

激光打擊無人機時，無論擊中機翼還是電源都會產(chǎn)生火焰，特別是在擊中電源時，還會引發(fā)鋰電池燃燒。在所有試驗中都具有火災安全隱患，不過在停止激光打擊或無人機高速墜落時，火勢具有明顯減弱趨勢。其中第三次試驗時，由于只擊中了無人機機翼，并未破壞其動力系統(tǒng)，導致無人機失控飄移。由激光武器反饋光電圖像數(shù)據(jù)可知，在出光過程中，其原理為光電追蹤目標，引導出光點位置，因此目標被擊落快速下降時，可能會誘導誤傷到其他物體或樹木等。激光打擊試驗結(jié)果如表1所示。

表1 激光打擊試驗

激光打擊試驗時，周邊電磁環(huán)境變化如圖4所示，在監(jiān)測頻段內(nèi)底噪沒有明顯抬升，激光打擊試驗前后均方差為1.180 5 dBμV，屬于正常波動范圍，可見激光武器采用的光學能量對周邊電磁環(huán)境不會造成污染。

圖4 激光打擊試驗前后電磁環(huán)境對比

3.2.2 控制信號干擾試驗結(jié)果

控制信號干擾試驗中，目標無人機與飛手之間距離保持50 m不變，反制組從距目標220 m處實施2.4 GHz、5.8 GHz頻段干擾，共進行3次試驗，處置時間均為1 min以上。處置期間無人機不斷執(zhí)行規(guī)律運動，控制鏈路沒有受到任何干擾，圖傳鏈路信號間歇性丟失。反制組從距目標120 m處實施無線電干擾，共進行2次試驗：第一次試驗處置時間1 min以上，控制鏈路無干擾，圖傳鏈路丟失；第二次試驗處置時間15 s，目標失控飄落。反制組從距目標50 m處實施無線電干擾，共進行5次試驗，處置時間均為30 s以內(nèi)，其中兩次懸停，三次觸發(fā)返航。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 控制信號干擾試驗結(jié)果

考慮到無線電干擾可能的危害性，特別是在民航領域，惡劣的電磁環(huán)境直接威脅航空運輸?shù)陌踩玔14]。以民航導航設備為例，可能受到影響的包括測距儀臺(962～1 212 MHz)、二次雷達(1 030 MHz、1 090 MHz)、導航衛(wèi)星(1.5 GHz)、ADS-B(978 MHz、1 090 MHz)，因此無線電頻譜檢測儀主要采集1～1.6 GHz的頻譜變化，其中，圖5為在1～1.6 GHz頻段周邊環(huán)境電磁輻射情況與控制信號干擾時的頻譜圖，圖6為環(huán)境底噪與干擾試驗時的頻譜差值圖。

圖5 電磁環(huán)境與控制信號干擾時頻譜對比圖

圖6 環(huán)境底噪與干擾試驗時的頻譜差值圖

從圖5和圖6可見，干擾試驗時，該頻段底噪沒有明顯抬升情況。經(jīng)過計算，干擾試驗前底噪均值為37.179 4 dBμV，前后均方差為1.178 8 dBμV，屬于正常波動情況。這些數(shù)據(jù)可以說明在與民航相關的重要頻段范圍內(nèi)，電磁干擾基本無影響。

3.2.3 定位信號干擾試驗結(jié)果

目標與飛手距離50 m，反制組從距目標220 m處進行1.5 GHz頻段的無線電干擾，共進行10次試驗，其中僅有一次失敗。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 第一組定位信號干擾試驗

與控制信號干擾試驗中一致，使用無線電頻譜檢測儀采集1～1.6 GHz的頻譜變化，圖7和圖8分別為在1～1.6 GHz頻段周邊環(huán)境電磁輻射情況與定位信號干擾時的頻譜圖以及均值檢波的差值圖。

圖7 電磁環(huán)境與定位信號干擾時頻譜對比圖

圖8 環(huán)境底噪與干擾試驗時的頻譜差值圖

由圖7和圖8可見，在使用反制設備干擾無人機定位信號時，1.58 GHz左右各30 MHz區(qū)間范圍內(nèi)，平均值檢波與峰值檢波都出現(xiàn)了較大幅度的抬升，峰值達到了95 dBμV。經(jīng)過計算可得，試驗前環(huán)境底噪均值為37.086 1 dBμV，在1～1.55 GHz頻段內(nèi)均方差為1.193 3 dBμV，處于正常波動，對電磁環(huán)境基本無影響；但是在1.55～1.6 GHz頻段內(nèi)發(fā)生劇烈抬升，均方差達到了9.346 4 dBμV，已超出可接受范圍，對電磁環(huán)境造成了極大干擾，對周邊設備的無線電信號特別是導航衛(wèi)星信號造成了嚴重影響。

4 無人機反制系統(tǒng)評估與結(jié)果分析

根據(jù)無人機反制技術專家組意見，建立下層二級評估指標比較矩陣，針對同一一級指標分支下的各二級指標的重要性進行比較，以一級指標處置效果的下層評估指標為例，得到比較矩陣如圖9所示。

(a)處置效果

在評估指標設備質(zhì)量中，針對可信性與可用性進行比較評估得到的模糊矩陣中評估比較值為0.7、0.3。根據(jù)公式(8)、(9)可以求得各二級指標的權重向量,無人機處置效果各二級指標權重為WU1=(0.3,0.237 5,0.256 3,0.206 3)，二次災害二級指標各權重為WU2=(0.2,0.225,0.287 5,0.287 5)，易用性二級指標權重分布為WU3=(0.288 9,0.366 7,0.344 4)，設備質(zhì)量二級指標權重分布為WU1=(0.55,0.45)。

根據(jù)對無人機反制系統(tǒng)評估中一級指標進行評估，可得到比較矩陣如圖10所示。

圖10 無人機反制系統(tǒng)評估一級指標比較矩陣

同理得到關于無人機反制系統(tǒng)評估的一級指標權重分布為WU=(0.312 5,0.275,0.212 5,0.2)。

根據(jù)德爾菲法反饋的專家意見中，將無爭議的值域的隸屬度以1表示，將有爭議部分模糊處理，以評估指標處置效果中各二級指標的隸屬度分布為例，得到隸屬函數(shù)圖如圖11所示。

圖11 指標隸屬函數(shù)圖

針對C13中各評估標準為確定值，無需模糊處理，直接根據(jù)評估語義集V進行賦值，得到處置結(jié)果為(擊毀墜落、逼降，飄落，懸停、返航，空中飄移，無反應)=(υ5，υ4，υ3，υ2，υ1)。

同理建立關于一級評估指標二次災害、易用性、設備質(zhì)量的下層指標的模糊分析，得到相應的模糊隸屬函數(shù)。將試驗中所得的結(jié)果代入至模糊隸屬函數(shù)中，可以得到各指標的隸屬向量。將各二級指標評估隸屬向量集合得到的模糊評價矩陣與對應的權重集進行運算，得到上層一級指標的隸屬向量Ri=WUi×ri。最后將一級指標隸屬向量構成新的矩陣R=(R1,R2,R3,R4)，與一級指標權重向量WU做運算處理，得到評估結(jié)果向量B=(b1,b2,b3,b4,b5)，三組無人機反制手段分別累積10次處置試驗數(shù)據(jù)后，其評估結(jié)果為

根據(jù)平均加權法轉(zhuǎn)化為百分制得分，最終的評估得分如圖12和表4所示。

圖12 反制評估得分對比圖

表4 無人機反制系統(tǒng)評估結(jié)果

5 結(jié)束語

在“低慢小”無人機反制技術領域的不斷發(fā)展過程中，亟需對不同反制技術手段的評估對比，為不同應用場景中的選擇提供依據(jù)，同時促進反制技術的發(fā)展。本文針對無人機反制技術的原理與特點，擬定了無人機反制系統(tǒng)評價體系，提出了一級評價指標以及相應的二級指標，并且根據(jù)專家組意見建立了各指標的隸屬度函數(shù)圖像。為獲取無人機反制數(shù)據(jù)，進行了利用激光打擊、無線電干擾的無人機處置試驗，采集了評價體系中各二級評估指標的試驗數(shù)據(jù)?；谠囼炈脭?shù)據(jù)，從處置效果、二次災害、易用性、設備質(zhì)量四個角度進行評估，通過計算得到了不同反制系統(tǒng)的評價得分，實現(xiàn)了不同反制技術手段之間的評估對比，其結(jié)論與實際試驗中專家組評估結(jié)果相同，證明該評價體系具有可行性。

在對不同反制系統(tǒng)的評估對比過程中，還存在有許多誤差因素：首先，由于條件限制，處置試驗的數(shù)組過少，試驗數(shù)據(jù)量缺乏，導致試驗評估結(jié)果受到某一組試驗數(shù)據(jù)突變的影響較大；其次，在進行試驗的過程中，難以保證每一組試驗的試驗環(huán)境完全相同，風向風速、無人機懸停高度與位置都會有一定的誤差，并且其誤差對指標的評估也會產(chǎn)生一定的影響。因此，為弱化誤差對評估結(jié)果的影響，后續(xù)還需采集更大的處置數(shù)據(jù)庫對評估模型進行支撐。